KR100429210B1 - 단판식 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

다면 반사경을 이용한 프로젝터의 단판식 광학 시스템에 관한 것으로서, 특히 하나의 반사형 LCD 패널과 다면 반사경 및 각 칼라 분리 미러들을 이용하여 광학계를 구성함으로써, 광학계의 구성이 단순해져 시스템을 소형화할 수 있고, 빛의 손실을 최소로 하며, 고휘도의 영상을 만들어내는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 고가의 PBS를 사용하지 않으므로 시스템의 가격을 낮출 수 있으며, 부품수를 대폭 축소한 콤팩트한 구성으로 포터블 프로젝터에 응용이 가능하다. 그리고, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 비편광 성분을 제거함으로써, 고선명한 화상을 구현할 수 있다.

Description

단판식 광학 시스템{1-panel optic system}

본 발명은 프로젝션(projection) 및 프로젝터(projector)에 관한 것으로서, 특히 다면 반사경을 이용한 단판식 광학 시스템에 관한 것이다.

최근 위성 및 디지털 방송이 본격적으로 추진되면서 고해상도를 갖는 대형 화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 프로젝션 및 프로젝터에 대한 기대와 역할이 매우 증가되고 있다.

이와 아울러 고해상도를 가지면서 고휘도, 고선명한 화상 정보에 대한 요구가 더욱 강해지고 있고 높은 광 이용 효율을 가지는 새로운 광학 시스템에 대한 연구도 다양하게 진행되고 있다.

이러한 관점에서, 프로젝션 방식은 크게 투과형과 반사형으로 나눌 수가 있지만 최근 들어 고해상도를 추구하면서 개구율 문제, 가격 경쟁력 확보를 위하여 점차 반사형에 관한 기술적인 개발들이 많이 진행되고 있다.

상기 반사형 프로젝션을 위한 액정 디스플레이는 반도체 기판과 커버 유리 사이에 액정 물질을 배치하여 이루어진 LCOS(Liquid Crystal On Silicon)가 바람직하다.

즉, 상기 LCOS는 통상의 액정 표시장치와 달리 반도체 기판 위에 셀을 형성하게 되고, 매트릭스 방식에 따른 구동 회로 및 각 픽셀의 구성 요소들을 미러 아래에 용이하게 배치할 수 있어 일반 액정 디스플레이와는 달리 개구율 문제가 적기 때문에 소형화가 가능한 장점이 있기 때문이다.

도 1은 기존의 1개의 광원(Light source)과 3개의 반사형 액정 패널을 사용한 3판식 반사형 프로젝션 시스템의 기본 광학계이다.

도 1을 보면, 램프와 같은 광원(101)으로부터 나온 광은 미러(mirror)(104,105,108)에 의해 분리되어 R,G,B 파장별로 구분된 후, R,G,B에 해당하는 각 편광 빔 스플리터(PBS)(106,109,111)로 입사되어 S-편광과 P-편광된 빛으로 나누어진다. 그리고, 이들 빛 중 특정 편광의 빛(여기서는 S-편광된 빛으로 한다.)이 액정 패널(107,110,112)로 투과된 후 다시 반사되어 나온 빛으로 영상을 구현할 수 있는 구조를 갖는다.

즉, 1개의 광원(101)으로부터 나온 비편광 백색광은 집광 렌즈(condensing lens)(102)와 PBS 어레이(103)를 거쳐 모두 S 편광된 빛으로 전환된 후 파장 선별성을 가진 제 1 이색성 미러(dichroic mirror)(104)로 입사된다. 상기 제 1 이색성 미러(104)는 레드 빛은 반사하며, 시안(cyan)빛은 투과시킨다. 상기 제 1 이색성 미러(104)에서 반사된 레드 빛은 다시 미러(105)에 의해 반사되어 PBS(106)로 입사된다. 상기 PBS(106)는 입사된 레드 빛을 S 편광된 빛과 P 편광된 빛으로 분리한다. 이때, S 편광된 레드 빛은 다시 PBS(106)에 의해 반사되어 레드 화상 정보를 가진 제 1 반사형 액정 패널(107)에 입사하게 된다. 상기 액정 패널(107)에서 반사된 레드 빛은 다시 PBS(106)로 입사되고, 상기 입사된 빛 중 P 편광된 레드 빛은 상기 PBS(106)를 투과하여 재결합기(113)로 출사된다.

한편, 상기 제 1 이색성 미러(104)를 투과한 시안 빛은 제 2 이색성 미러(108)를 거쳐 그린과 블루로 분리되어지고, 상기 레드 빛과 같은 과정으로 각각의 제 2 및 제 3 반사형 액정 패널(110,112)로 들어가게 된다. 그리고, 각각의 액정 패널(107,110,112)과 각 PBS(106,109,111)를 거쳐 변조(modulation)되어 나온 빛들은 최종적으로 재결합기(recombiner)(113)에 의해 세가지 색이 결합된 후 프로젝션 렌즈를 거쳐 스크린에 투사된다.

이와 같이 LCOS를 이용하여 프로젝션 시스템을 구성할 때에는, 통상 도 1과 같이 1개의 광원과 3개의 액정 패널을 사용하는 경우가 대부분인데, 이는 3개의 액정 패널을 사용함으로써, 가격 상승이라는 문제점을 초래한다. 또한, 1개의 광원과3개의 LCD 패널로부터 레드, 그린, 블루(red, green, blue) 세가지 색을 분리, 재합성 과정을 거쳐 풀 컬러(full color)를 만들어 내야 하므로, 광 이용 효율 측면에서 보면 최종 스크린 상에서 밝고 선명한 화상을 표현하는데 한계를 갖게 된다. 또한, 광학계 구성이 복잡하고 장치의 소형화를 이루기가 어렵게 된다. 즉, 최종 스크린에서 보여지는 영상의 휘도와 선명도가 떨어지고, 소자의 구성이 복잡하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 최근 하나의 LCD 패널을 이용하여 풀 컬러를 구현하는 반사형 단판식 프로젝션에 대한 관심이 높아지고 있다.

그러나, 하나의 LCD 패널로 R,G,B 풀 컬러를 구현해야 하므로 컬러 시퀀설(color sequential)이 가능한 광학계 구성이 요구된다.

이러한 단판식 광학 시스템의 하나로서, 컬러 휠(color wheel)을 이용하여 풀 컬러를 구현하는 종래의 방법이 있는데, 이 방법은 플리커(flicker)나 컬러 브레이크-업(color break-up)과 같은 문제를 개선하기 위하여 빠른 프레임 주파수에는 대응할 수 없는 문제점이 있다. 다른 종래의 단판식 광학 시스템으로서 회전 프리즘(rotating prism)을 이용하여 풀 컬러를 구현하는 방법이 있는데, 이 방법은 이론적인 광 효율은 좋지만 3개의 회전 프리즘을 이용해야 하고 또한, 실제 집광 효율적인 측면에서 광 손실이 크다는 단점이 있다. 또 다른 종래의 단판식 광학 시스템으로서 홀로그램 컬러 필터(hologram color filter)를 이용하여 풀 컬러를 구현하는 방법이 있는데, 이 방법은 제조 공정이 복잡하고 높은 정밀도가 요구될 뿐만 아니라 고가인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 다면 반사경과 각 칼라 분리 미러(angular color separation mirror)를 이용하여 광 이용 효율이 좋으면서 광학계의 구성이 간단한 단판식 광학 시스템을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 3판식 광학 시스템의 구성을 보인 도면

도 2는 본 발명에 따른 단판식 광학 시스템의 구성을 보인 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

201 : 광원 202 : 집광 렌즈

203 : PBS 어레이 204 : 칼라 분리 미러들

205 : 다면 반사경 206 : LCD 패널

207 : 편광기 208 : 투사 렌즈

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단판식 광학 시스템은, 비편광 빛을 발광하는 광원과, 상기 광원에서 발광된 비편광 빛을 특정파로 편광시키는 PBS 어레이와, 상기 PBS 어레이의 광 경로 상에 서로 다른 각도들로 배치되어 상기 PBS 어레이에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛을 각각 R,G,B 빛으로 분리함과 동시에 광 경로를 변경하는 칼라 분리 미러들과, 상기 칼라 분리 미러들의 광 경로 상에 배치되며, 회전에 의해 상기 칼라 분리 미러들로부터 분리된 R,G,B 빛을 순차적으로 스캔하는 다면 반사경과, 상기 다면 반사경에서 특정파의 R,G,B 빛을 순차적으로 입력받아 화상을 형성한 후 디스플레이를 위해 다시 반사하는 액정패널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 액정 패널에서 반사되는 빛 중에서 비편광된 빛을 제거하여 투사 렌즈로 출사하는 편광기가 최종 출사면에 추가로 부착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 단판식 광학 시스템의 광학계 구성을 보인 도면으로서, 비편광된 빛을 발광하는 광원(201), 상기 비편광된 빛을 집광하는 집광 렌즈(202), 및 상기 집광 렌즈(202)를 거쳐 출사되는 빛을 어느 한 편광 방향으로 변환시키는 PBS 어레이(203)가 순차적으로 배치된다. 그리고, 상기 PBS 어레이(203)를 거쳐 나오는 광의 경로 상에는 칼라 분리 미러들(204)이 서로 다른 각도로 설치되어 상기 편광된 빛을 R,G,B 빛으로 분리함과 동시에 광 경로를 변경한다. 상기 칼라 분리 미러들(204)에 의해 변경된 광 경로 상에는 회전에 의해 상기 R,G,B 빛을 스캔하여 화면의 수평 이미지를 구현하는 다면 반사경(multi-plane reflection mirror)(205)이 배치된다. 상기 다면 반사경(205)의 광 경로 상에는 1개의 LCD 패널(206)이 배치되며, 상기 LCD 패널(206)에서 반사되는 광 경로 상에는 편광기(polarizer)(207)와 투사 렌즈(208)가 순차 배치된다.

이와 같이 구성된 본 발명을 보면, 광원(201)으로부터 나온 비편광 백색광은 집광 렌즈(202)로 입사된다.

상기 집광 렌즈(202)는 광원(201)에서 발광된 빛을 일정방향 즉, PBS 어레이(203) 방향으로 평행하게 진행시킨다. 상기 PBS 어레이(203)는 평행하게 진행되어 입사되는 빛을 S 편광된 빛으로 변환한 후 각각 R,G,B 컬러로 분리할 수 있는 칼라 분리 미러들(204)로 입사시킨다.

상기 컬러 분리 미러들(204)은 상기 PBS 어레이(203)의 광 축상에 서로 다른 각도들로 배치되어 상기 PBS 어레이(203)에서 출사되는 S 편광된 빛을 R,G,B 빛으로 분리한다. 상기 칼라 분리 미러들(204)에서 분리된 R,G,B 빛은 회전하는 다면반사경(205)의 한면에 R,G,B 세 개의 띠로 집적된다. 그리고, 집적된 각 R,G,B 빛은 상기 다면 반사경(205)에서 반사되어 LCD 패널(206)에 동일한 밴드 띠로 집적된다. 이때, 상기 다면 반사경(205)이 회전함에 따라 LCD 패널(206)에 집적된 칼라 밴드는 순차적으로 스크롤(scroll)되게 된다. 따라서, 광원(201)으로부터 나온 빛을 모두 이용하게 된다.

상기 LCD 패널(206)에서 반사된 R,G,B 빛은 편광기(207)로 출사되고, 상기 편광기(207)는 상기 LCD 패널(206)의 반사광에 일부 혼합되어 있는 비편광 성분을 제거한 후 투사 렌즈(208)로 출사한다. 상기 투사 렌즈(208)는 상기 편광기(207)에 의해 고휘도, 고선명한 화상 정보를 가진 빛을 최종 스크린 상에 투사한다.

본 발명에서는 상기 LCD 패널(206)로 반사형 LCOS를 사용할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 단판식 광학 시스템에 의하면, 하나의 반사형 LCD 패널 구조에 다면 반사경과 각 칼라 분리 미러들을 이용하여 광학계의 구성을 단순화함으로써, 시스템을 소형화할 수 있고, 빛을 손실을 최소로 하며, 고휘도의 영상을 만들어내는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 고가의 PBS를 사용하지 않으므로 시스템의 가격을 낮출 수 있으며, 부품수를 대폭 축소한 콤팩트한 구성으로 포터블 프로젝터에 응용이 가능하다. 그리고, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 비편광 성분을 제거함으로써, 고선명한 화상을 구현할 수 있다.

이러한 장점을 이용하여 본 발명은 단판식 반사형 LCD 프로젝션 및 프로젝터 분야에 적용하여 고휘도, 고선명한 영상을 구현할 수 있다. 또한, 스크롤 방식을채택함으로써, 높은 광 이용 효율을 얻을 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 비편광 빛을 발광하는 광원;

   상기 광원에서 발광된 비편광 빛을 특정파로 편광시키는 PBS 어레이;

   상기 PBS 어레이의 광 경로 상에 서로 다른 각도들로 배치되어 상기 PBS 어레이에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛을 각각 R,G,B 빛으로 분리함과 동시에 광 경로를 변경하는 칼라 분리 미러들;

   상기 칼라 분리 미러들의 변경된 광 경로 상에 배치되며, 회전에 의해 상기 칼라 분리 미러들로부터 분리된 R,G,B 빛을 순차적으로 스캔하는 다면 반사경;

   상기 다면 반사경에서 특정파의 R,G,B 빛을 순차적으로 입력받아 화상을 형성한 후 디스플레이를 위해 다시 반사하는 반사형 액정패널; 그리고

   상기 반사형 액정 패널에서 반사되는 빛 중에서 비편광된 빛을 제거하여 후단의 투사 렌즈로 출사하는 편광기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단판식 광학 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다면 반사경이 회전함에 따라 액정 패널에 집적된 칼라 밴드는 순차적으로 스크롤되는 것을 특징으로 하는 단판식 광학 시스템.